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CN107505524B - 换流阀例行试验电路及试验方法 - Google Patents

换流阀例行试验电路及试验方法 Download PDF

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CN107505524B CN201710771748.5A CN201710771748A CN107505524B CN 107505524 B CN107505524 B CN 107505524B CN 201710771748 A CN201710771748 A CN 201710771748A CN 107505524 B CN107505524 B CN 107505524B
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Abstract

本发明提供了一种换流阀例行试验电路及试验方法，包括：电源、负载电抗器L、桥臂1和桥臂2构成；其中，该桥臂1由m个MMC子模块串联构成；该桥臂2由n个MMC子模块串联构成；该负载电抗器L连接于该桥臂1和该桥臂2之间；该电源的输出端有m对独立的输出端口，分别与该桥臂1的每个MMC子模块电容器相联接，为该桥臂1充电。解决了现有技术中采用两个MMC子模块构成的半桥对拖的方式对MMC阀进行电气性能试验，试验效率较低以及IGBT器件开关损耗过高的问题，本发明采用含有多个子模块的双桥臂对拖主电路拓扑，一次试验可以完成多个MMC子模块的例行试验，提高了试验效率，满足了工程大批量试验要求。

Description

换流阀例行试验电路及试验方法
技术领域
本发明涉及电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及一种换流阀例行试验电路及试验方法。
背景技术
采用电压源型换流器的高压直流输电(Voltage Sourced Converter basedHVDC，VSC-HVDC)技术是一种新型的直流输电技术，我国学术和工业界称之为柔性直流输电(HVDC-Flexible)。已有的工程运行经验表明，这项技术非常适合在新能源接入电网、孤岛供电、城市中心供电和弱交流电网互联等工程领域应用。目前用于VSC-HVDC直流工程的换流器主要采用两电平、三电平和模块化多电平拓扑结构。与两电平、三电平以及箝位式多电平拓扑结构相比，模块化多电平换流器(Modular Multi-Level Converter，MMC)具有开关器件工作频率低，输出电压波形接近正弦波的特点，这项技术进一步提升了换流阀的模块化水平，降低了换流阀的制造难度，具有广阔的应用前景。
目前，我国正在加快推进基于MMC技术的柔性直流输电技术研究与工程应用，自2011年亚洲首条柔性直流工程—±30kV/18MW上海南汇示范工程投运以来，已有±160kV/200MW南澳三端柔性直流输电工程、±200kV/400MW舟山五端柔性直流工程以及±320kV/1000MW厦门工程投入运行，±350kV/1000MW鲁西异步联网柔性直流输电工程、渝鄂背靠背±400kV/4*1250MW柔性直流工程以及±500kV张北直流电网工程也进入工程实施阶段。
作为柔性直流输电系统的核心设备，模块化多电平换流阀(以下简称MMC阀)电气性能将直接影响系统安全可靠运行，需要通过严格的试验对其设计、研制、出厂、现场应用等各个环节进行检验和考核。其中，例行试验用以检验MMC子模块(Sub-module，SM)安装正确性及基本功能的合格性，常用于换流阀出厂检验及现场检验是柔性直流换流阀试验的重要内容之一。
作为一种全新的电力设备，国内外相关研究机构及制造商对MMC换流阀子模块例行试验方法研究尚处于探索之中，相关文献较少，已经报道的文献表明目前例行试验均通过两个子模块构成的半桥对拖的方式来完成。但是随着柔性直流输电工程容量的不断提升，单个直流工程的子模块总数达到数千甚至上万个，而两个子模块对拖的试验方式每次只能完成两个子模块的试验，完成一个工程所有子模块例行试验需要1-2年时间，从工程周期及人力成本上看已经不具备可行性。另外，MMC子模块所用的IGBT器件开关损耗随着器件电压电流等级而成倍增加，而且与开关频率成正比，两个子模块对拖的试验方式下子模块的开关频率要求远高于实际运行频率，接近1kHz，以目前IGBT的制造水平，对于3kV以上等级IGBT器件，将无法承受该试验方式下的损耗发热。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种换流阀例行试验电路及试验方法，以解决现有技术中采用两个MMC子模块构成的半桥对拖的方式对MMC阀进行电气性能试验，试验效率较低以及IGBT器件开关损耗过高的问题。
为此，本发明实施例提供了如下技术方案：
本发明第一方面，提供了一种换流阀例行试验电路，包括：电源、负载电抗器(L)、桥臂(1)和桥臂(2)构成；其中，所述桥臂(1)由m个MMC子模块串联构成；所述桥臂(2)由n个MMC子模块串联构成；所述负载电抗器(L)连接于所述桥臂(1)和所述桥臂(2)之间；所述电源的输出端有m对独立的输出端口，分别与所述桥臂(1)的每个MMC子模块电容器相联接，为所述桥臂(1)充电。
可选地，所述MMC子模块由电容器(C)、上管IGBT(T1)及与所述上管IGBT(T1)反并联的二极管(D1)、下管IGBT(T2)及所述下管IGBT(T2)反并联的二极管(D2)、晶闸管(Thy)和旁路开关(K)构成；其中，所述上管IGBT(T1)和所述下管IGBT(T2)串联后与所述电容器(C)并联，所述晶闸管(Thy)及所述旁路开关(K)与所述下管IGBT(T2)并联，且所述晶闸管(Thy)导通方向与所述二极管(D2)一致，所述上管IGBT(T1)与所述下管IGBT(T2)之间的连接点为所述MMC子模块的正极，所述下管IGBT(T2)的另一端为所述MMC子模块的负极。
可选地，所述m和所述n相同，m小于等于10。
本发明第二方面，提供了一种换流阀例行试验方法，应用于上述换流阀例行试验电路，包括：通过载波移相正弦脉宽调制对所述桥臂(1)和所述桥臂(2)中的MMC子模块进行投入或者切出控制；调节第一调制波信号和第二调制波信号之间的幅值和相位差，获得所述桥臂(1)的第一交直流叠加电流和所述桥臂(2)的第二交直流叠加电流；其中，所述第一调制波信号为作用于所述桥臂(1)的调制信号，所述第二调制波信号为作用于所述桥臂(2)的调制信号；判断所述第一交直流叠加电流和所述第二交直流叠加电流是否分别大于第一预定阈值和第二预定阈值，得到判断结果；根据所述判断结果确定所述桥臂(1)和所述桥臂(2)中的MMC子模块是否合格。
可选地，在所述第一调制波信号和所述第二调制波信号中分别叠加预定附加分量；其中，所述预定附加分量为(A-S)*sgn(i)*k；其中，A表示所述桥臂(1)或者所述桥臂(2)各个MMC子模块电压的平均值；S表示所述桥臂(1)或者所述桥臂(2)各个MMC子模块的电压之和；sgn(i)在所述桥臂(1)或者所述桥臂(2)的电流大于1时，为1，在所述桥臂(1)或者所述桥臂(2)的电流小于1时，为-1，在所述桥臂(1)或者所述桥臂(2)的电流为0时，为0。
可选地，通过载波移相正弦脉宽调制对所述桥臂(1)和所述桥臂(2)中的MMC子模块进行投入或者切出控制之前，还包括：启动所述电源为所述桥臂(1)中的MMC子模块充电；通过所述桥臂(1)为所述桥臂(2)充电进行平滑充电。
可选地，通过所述桥臂(1)为所述桥臂(2)充电进行平滑充电包括：获取方波信号；根据所述方波信号控制所述桥臂(1)中的所有MMC子模块投入或者切出。
可选地，根据所述判断结果确定所述桥臂(1)和所述桥臂(2)中的MMC子模块是否合格之后，还包括：逐步调节所述第一调制波信号和所述第二调制波信号之间的相位差为零；闭锁所述桥臂(1)和所述桥臂(2)。
本发明实施例技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供了一种换流阀例行试验电路及试验方法，其中，该试验电路包括：电源、负载电抗器(L)、桥臂(1)和桥臂(2)构成；其中，该桥臂(1)由m个MMC子模块串联构成；该桥臂(2)由n个MMC子模块串联构成；该负载电抗器(L)连接于该桥臂(1)和该桥臂(2)之间；该电源的输出端有m对独立的输出端口，分别与该桥臂(1)的每个MMC子模块电容器相联接，为该桥臂(1)充电。通过对该试验电路的调整解决了现有技术中采用两个MMC子模块构成的半桥对拖的方式对MMC阀进行电气性能试验，试验效率较低以及IGBT器件开关损耗过高的问题，本发明采用含有多个子模块的双桥臂对拖主电路拓扑，一次试验可以完成多个MMC子模块的例行试验，提高了试验效率，满足了工程大批量试验要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的换流阀例行试验电路的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的半桥MMC子模块电路结构示意图；
图3是根据本发明实施例的换流阀例行试验方法的流程图；
图4是根据本发明实施例的例行试验载波移相调制示意图；
图5是根据本发明实施例的桥臂电流波形示意图；
图6是根据本发明实施例的桥臂子模块电压平衡附加控制算法示意图；
图7为方波示意图；
图8为根据本发明实施例的电压平衡附加控制投入前后桥臂子模块电压波形示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种换流阀例行试验电路，如图1所示，包括：电源、负载电抗器L、桥臂1和桥臂2构成。例如该电源可以是直流电压源。其中，桥臂1由m个MMC子模块串联构成；桥臂2由n个MMC子模块串联构成，为了保证试验效率，同时又避免试验设备电压等级过高、容量太大，桥臂子模块数n＝m取值可以介于3和10之间(10≥n≥3)。负载电抗器L连接于桥臂1和桥臂2之间；电源的输出端有m对独立的输出端口，分别与桥臂1的每个MMC子模块电容器相联接，为桥臂1充电。
在一个可选实施例中，如图2所示，MMC子模块由电容器C、上管T1及与该上管T1反并联的二极管D1、下管T2及该下管T2反并联的二极管D2、晶闸管Thy和旁路开关K构成；其中，该上管T1和该下管T2串联后与该电容器C并联，该晶闸管Thy及该旁路开关K与该下管T2并联，且该晶闸管Thy导通方向与该二极管D2一致，该上管T1与该下管T2之间的连接点为该MMC子模块的正极，该下管T2的另一端为该MMC子模块的负极。使用过程中，电容器C存在一定水平的电压，当T1导通T2关断时子模块投入；当T1关断T2导通时子模块切出。
通过对上述换流阀例行试验电路，采用含有多个子模块的双桥臂对拖主电路拓扑，一次试验可以完成多个MMC子模块的例行试验，解决了现有技术中采用两个MMC子模块构成的半桥对拖的方式对MMC阀进行电气性能试验，试验效率较低以及IGBT器件开关损耗过高的问题，从而提高了试验效率，满足了工程大批量试验要求。
在另一个实施例中还提供了一种换流阀例行试验方法，用于上述换流阀例行试验电路，图3是根据本发明实施例的换流阀例行试验方法的流程图，如图3所示，该流程包括如下步骤：
步骤S301，通过载波移相正弦脉宽调制对桥臂1和桥臂2中的MMC子模块进行投入或者切出控制。具体地，在电源为桥臂1和桥臂2充电过程完成后，按照载波移相正弦脉宽调制方法(Carrier Phase Shifting SPWM,CPS-SPWM)对桥臂1和桥臂2的子模块进行投入或者切出控制。如图4所示，两个桥臂载波信号相同，均为幅值为1的三角波，调制波信号为幅值相同(≤1)、相角差可调节的正弦波，wc_1、wc_2、wc_3分别代表两个桥臂3个子模块的载波信号，wr1和wr2分别代表桥臂1和桥臂2的调制波信号。该试验电路对桥臂采用载波移相调制控制技术，既能保证试验电流波形质量，又能显著降低器件的开关损耗，解决了两个子模块对拖方案开关损耗过高的难题。
步骤S302，调节第一调制波信号和第二调制波信号之间的幅值和相位差，获得该桥臂1的第一交直流叠加电流和该桥臂2的第二交直流叠加电流；其中，第一调制波信号为作用于桥臂1的调制信号，第二调制波信号为作用于桥臂2的调制信号。具体地，当两个桥臂的调制波信号之间存在相位差时，两个桥臂均会产生交、直流叠加的输出电压，电路运行能量平衡后，会产生交、直流叠加电流，如图5所示。通过调节调制波信号的幅值与相位差，即可调节交、直流电流大小。
步骤S303，判断第一交直流叠加电流和第二交直流叠加电流是否分别大于第一预定阈值和第二预定阈值，得到判断结果；
步骤S304，根据该判断结果确定桥臂1和桥臂2中的MMC子模块是否合格。具体地，在第一交直流叠加电流和第二交直流叠加电流均可以分别大于第一预定阈值和第二预定阈值时，确定桥臂1和桥臂2中的MMC子模块合格。在一个更优的实施例中，在第一交直流叠加电流和第二交直流叠加电流均可以分别大于第一预定阈值和第二预定阈值时的基础上，同时满足持续运行时间超过试验要求时间的情况下，得到判断结果。
通过上述步骤，采用含有多个子模块的双桥臂对拖主电路拓扑，一次试验可以完成多个子模块的例行试验，提高了试验效率，满足了工程大批量试验要求。
试验电路运行过程中，桥臂电流的波动会导致桥臂子模块电容电压的波动，为保证桥臂内部子模块电压的均衡和稳定，需要采用均压策略。因此在一个可选实施例中，在第一调制波信号和第二调制波信号中分别叠加预定附加分量。其中，该预定附加分量为(A-S)*sgn(i)*k；其中，A表示桥臂1或者桥臂2各个MMC子模块电压的平均值；S表示桥臂1或者桥臂2各个MMC子模块的电压之和；sgn(i)在桥臂1或者桥臂2的电流大于1时，为1，在桥臂1或者桥臂2的电流小于1时，为-1，在桥臂1或者桥臂2的电流为0时，为0。即，均压策略的基本思想是在正弦调制波信号叠加一定的附加分量来对桥臂子模块电容电压进行调节，附加分量的控制算法如图6所示。首先，对桥臂所有子模块电压实时值进行求和(Σ)，然后求平均值(乘以1/n)，用所得的平均值减去进行每个子模块的电容电压Ec(i)(i＝1,2……n)，之后用所得的差值乘以桥臂电流i的符号函数sgn(i)，再乘以比例系数k，经过限幅环节后便得到附加分量。其中sgn(i)取值为如下：
Figure BDA0001395169850000101
通过该步骤对桥臂子模块采用了电容电压平衡附加控制策略，实现了桥臂电压的均衡。
在一个可选实施例中，通过载波移相正弦脉宽调制对桥臂1和桥臂2中的MMC子模块进行投入或者切出控制之前，启动该电源为桥臂1中的MMC子模块充电，通过桥臂1为桥臂2充电进行平滑充电。在一个具体地可选实施例中，获取方波信号，根据该方波信号控制该桥臂1中的所有MMC子模块投入或者切出，完成桥臂1为桥臂2充电进行平滑充电。具体地，试验开始后，首先启动直流电源，为桥臂1子模块电容充电，使其电压达到试验所需水平。桥臂1子模块电容器充电完成且控制电路从中正常取能后，将桥臂1解锁，并按照图7所示的方波信号投入切出所有子模块，对桥臂2进行充电。方波的周期为T，每周期高电平和低电平时间分别为Ton和Toff，当方波为高电平时投入所有子模块，当方波为低电平时切出所有子模块。合理选择方波信号的频率(1/T)和占空比(Ton/T)，可以实现桥臂1对桥臂2的平滑充电，即桥臂1解锁后经过一定的时间后，桥臂2子模块电容电压将会充到桥臂1子模块电容电压的水平。
在一个可选实施例中，根据上述判断结果确定桥臂1和桥臂2中的MMC子模块是否合格之后，逐步调节第一调制波信号和第二调制波信号之间的相位差为零，闭锁桥臂1和桥臂2。即，电流达到试验要求值后，经过试验考核要求的时间后，将调节调制信号波相角差逐渐降低至0，然后闭锁桥臂1和桥臂2，退出试验电源，试验结束。
图8所示为桥臂子模块数n为3时，电压平衡控制附加分量投入前后桥臂子模块电容电压变化情况，波形显示，投入附加分量后，子模块电容电压波动趋于一致，均压效果良好。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种换流阀例行试验电路，其特征在于，包括：
电源、负载电抗器(L)、桥臂(1)和桥臂(2)构成；其中，所述桥臂(1)由m个MMC子模块串联构成；所述桥臂(2)由n个MMC子模块串联构成；所述负载电抗器(L)连接于所述桥臂(1)和所述桥臂(2)之间；所述电源的输出端有m对独立的输出端口，分别与所述桥臂(1)的每个MMC子模块电容器相联接，为所述桥臂(1)充电。
2.根据权利要求1所述的换流阀例行试验电路，其特征在于，所述MMC子模块由电容器(C)、上管IGBT(T1)及与所述上管IGBT(T1)反并联的二极管(D1)、下管IGBT(T2)及所述下管IGBT(T2)反并联的二极管(D2)、晶闸管(Thy)和旁路开关(K)构成；其中，所述上管IGBT(T1)和所述下管IGBT(T2)串联后与所述电容器(C)并联，所述晶闸管(Thy)及所述旁路开关(K)与所述下管IGBT(T2)并联，且所述晶闸管(Thy)导通方向与所述二极管(D2)一致，所述上管IGBT(T1)与所述下管IGBT(T2)之间的连接点为所述MMC子模块的正极，所述下管IGBT(T2)的另一端为所述MMC子模块的负极。
3.根据权利要求1所述的换流阀例行试验电路，其特征在于，所述m和所述n相同，m小于等于10。
4.一种换流阀例行试验方法，其特征在于，应用于权利要求1的换流阀例行试验电路，包括：
通过载波移相正弦脉宽调制对所述桥臂(1)和所述桥臂(2)中的MMC子模块进行投入或者切出控制；
调节第一调制波信号和第二调制波信号之间的幅值和相位差，获得所述桥臂(1)的第一交直流叠加电流和所述桥臂(2)的第二交直流叠加电流；其中，所述第一调制波信号为作用于所述桥臂(1)的调制信号，所述第二调制波信号为作用于所述桥臂(2)的调制信号；
判断所述第一交直流叠加电流和所述第二交直流叠加电流是否分别大于第一预定阈值和第二预定阈值，得到判断结果；
根据所述判断结果确定所述桥臂(1)和所述桥臂(2)中的MMC子模块是否合格。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述第一调制波信号和所述第二调制波信号中分别叠加预定附加分量；其中，所述预定附加分量为(A-S)*sgn(i)*k；其中，A表示所述桥臂(1)或者所述桥臂(2)各个MMC子模块电压的平均值；S表示所述桥臂(1)或者所述桥臂(2)各个MMC子模块的电压之和；sgn(i)在所述桥臂(1)或者所述桥臂(2)的电流大于1时，为1，在所述桥臂(1)或者所述桥臂(2)的电流小于1时，为-1，在所述桥臂(1)或者所述桥臂(2)的电流为0时，为0。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过载波移相正弦脉宽调制对所述桥臂(1)和所述桥臂(2)中的MMC子模块进行投入或者切出控制之前，还包括：
启动所述电源为所述桥臂(1)中的MMC子模块充电；
通过所述桥臂(1)为所述桥臂(2)充电进行平滑充电。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过所述桥臂(1)为所述桥臂(2)充电进行平滑充电包括：
获取方波信号；
根据所述方波信号控制所述桥臂(1)中的所有MMC子模块投入或者切出。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述判断结果确定所述桥臂(1)和所述桥臂(2)中的MMC子模块是否合格之后，还包括：
逐步调节所述第一调制波信号和所述第二调制波信号之间的相位差为零；
闭锁所述桥臂(1)和所述桥臂(2)。
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